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Les oscillations endogènes cérébrales sont associées à des fonctions cognitives spécifiques et jouent un rôle important dans la communication entre les différentes régions corticales et sous-corticales. Les rythmes alpha (8-12 Hz) et bêta (13-30 Hz) ont été observés de façon dominante dans les aires sensorimotrices, avec des moyennes de fréquence autour de 10 et 20 Hz, et jouent un rôle dans les fonctions motrices. Ces oscillations cérébrales peuvent être entrainées par une stimulation externe, notamment par la stimulation électrique transcrânienne par courant alternatif (SEtCA). Ainsi, la SEtCA de 10 et 20 Hz a un effet sur certaines mesures physiologiques comme l’excitabilité corticospinale et la puissance des oscillations via la stimulation magnétique transcrânienne (SMT) et l’électroencéphalogramme (EEG), respectivement. Toutefois, les effets post-stimulation sont variables et parfois incohérents. De plus, à ce jour, aucune étude n’a mesuré les effets physiologiques d’une stimulation bilatérale sensorimotrice tant sur l’activité locale que sur l’interaction entre les deux aires sensorimotrices. Les articles composant le présent ouvrage visent à explorer les effets post-stimulation de deux fréquences de stimulation, soit 10 Hz et 20 Hz, sur les régions sensorimotrices à l’aide d’un montage SEtCA bilatéral. Ce travail de recherche s’est effectué à travers une revue de la littérature ainsi que deux études avec des paramètres méthodologiques relativement similaires, mais avec des mesures différentes et complémentaires de SMT et d’EEG. L’article 1 sert d’assise à la pertinence de l’évaluation de la connectivité entre le cortex moteur et les différentes aires du cerveau. Cet excursus recense et décrit les différents protocoles de stimulation magnétique pairée qui ont été développés au cours des dernières années afin d’évaluer la connectivité effective entre les aires sensorimotrices du cerveau. L’article 2 montre que la SEtCA bilatérale à 10 Hz a permis de réduire l’excitabilité corticospinale via la SMT après la stimulation. La fréquence bêta de 20 Hz n’a cependant mené à aucun changement. De plus, la SEtCA n’a pas modulé de façon significative les mesures d’interaction entre les régions sensorimotrices, telles l’inhibition interhémisphérique et les mouvements miroirs physiologiques. Dans l’article 3, les résultats démontrent que la SEtCA bilatérale à 10 et 20 Hz appliquée sur les aires sensorimotrices peut modifier la puissance des oscillations alpha et bêta après la stimulation. Notons que les résultats étaient associés à une variabilité interindividuelle qui est également rapportée dans la littérature. Ces résultats peuvent avoir des implications dans la conception de protocoles visant à induire des changements persistants dans l'activité cérébrale., Endogenous brain oscillations are associated with specific cognitive functions and are known to have an important role in regimenting communication between cortical and subcortical areas. Alpha (8-12 Hz) and beta (13-30 Hz) rhythms have been observed predominantly in sensorimotor areas, with averages around 10 and 20 Hz, and are believed to play a role in motor functions. These cerebral oscillations can be entrained by external stimulation, in particular by transcranial alternating current stimulation (tACS). Thus, tACS has shown an impact on certain physiological measures such as corticospinal excitability and the power of oscillations via transcranial magnetic stimulation (TMS) and electroencephalogram (EEG), respectively. However, the after-effects are variable and incoherent. In addition, to date no study has measured the physiological effects of a bilateral sensorimotor stimulation montage on both local activity and the interaction between the two sensorimotor areas. Thus, the studies included in the present thesis aim to explore the after-effects of two stimulation frequencies, 10 Hz and 20 Hz, on sensorimotor regions using a bilateral montage. This research was carried out through a review of the literature as well as two methodological studies with relatively similar parameters, but using different and complementary measures of TMS and EEG. Article 1 provides a basis for the relevance of assessing the connectivity between the motor cortex and different areas of the brain. This excursus identifies and describes the different paired magnetic stimulation protocols that have been developed in recent years to assess the effective connectivity between sensorimotor areas of the brain. Study 2 shows that bilateral 10 Hz tACS significantly reduced corticospinal excitability via TMS after stimulation. However, the 20 Hz frequency did not lead to any change. In addition, tACS did not significantly modulate measures of interaction between sensorimotor regions, such as interhemispheric inhibition and physiological mirror movements. In study 3, the results failed to demonstrate reliably that bilateral tACS at 10 and 20 Hz administered over sensorimotor areas could modulate offline alpha and beta oscillations power at the stimulation site. Note that the results were associated with inter-individual variability, which is also reported in the literature. These findings may have implications for the design and implementation of future protocols aiming to induce sustained changes in brain activity., Thèse de doctorat présentée en vue de l'obtention du doctorat en psychologie - recherche intervention, option neuropsychologie clinique (Ph.D)

Les émotions des êtres humains changent régulièrement et parfois de manière brusque entrainant un changement de l’état mental c’est-à-dire de l’aptitude cérébrale à fonctionner normalement. Il en résulte une capacité cognitive (ou état cognitif) de l’individu à pouvoir raisonner, accéder à la mémoire, ou effectuer des déductions, variable selon l’état mental. Ceci affecte, en conséquence, les performances des utilisateurs qui varient en fonction de leurs état cognitifs. Cette thèse vise à optimiser l’état cognitif d’un utilisateur lors de ses interactions avec un environnement virtuel. Comme cet état dépend des émotions, l’optimisation de l’état cognitif peut être réalisée à travers l’optimisation des émotions et en particulier la réduction des émotions négatives. Une première partie concerne les moyens de mesurer en temps réel (par un Module de mesures) l’état émotionnel et mental d’un utilisateur lors de ses interactions avec un environnement virtuel. Nous avons réalisé pour cela quatre études expérimentales avec quatre environnements différents. Nous avons montré que ces mesures peuvent être réalisées en utilisant différents capteurs physiologiques. Nous avons aussi montré qu’il est possible de prédire la tendance de l’excitation (un état mental) à partir d’un traceur de regard. Dans une deuxième partie, nous présentons l’Agent Neural qui modifie les environnements virtuels afin de provoquer une modification de l’état émotionnel d’un utilisateur pour améliorer son état cognitif. Nous avons réalisé quatre études expérimentales avec quatre environnements virtuels, où l’Agent Neural intervient dans ces environnements afin de changer l’état émotionnel de l’utilisateur. Nous avons montré que l’agent est capable d’intervenir dans plusieurs types d’environnements et de modifier les émotions de l’utilisateur. Dans une troisième partie, présentons l’Agent Limbique, qui personnalise et améliore les adaptations faites par l’Agent Neural à travers l’observation et l’apprentissage des impacts des changements des environnements virtuels et des réactions émotionnelles des utilisateurs. Nous avons montré que cet agent est capable d’analyser les interventions de l’Agent Neural et de les modifier. Nous avons montré aussi que l’Agent Limbique est capable de générer une nouvelle règle d’intervention et de prédire son impact sur l’utilisateur. La combinaison du Module de mesures, de l’Agent Neural, et de l’Agent Limbique, nous a permis de créer un système de contrôle cognitif intelligent que nous avons appelé Système Limbique Digital., The human’s emotions change regularly and sometimes suddenly leading to changes in their mental state which is the brain’s ability to function normally. This mental state’s changes affect the users’ cognitive ability (or cognitive state) to reason, access memory, or make inferences, which varies depending on the mental state. Consequently, this affects the users’ performances which varies according to their cognitive states. This thesis aims to optimize the users’ cognitive state during their interactions with a virtual environment. Since this state depends on emotions, optimization of cognitive state can be achieved through the optimization of emotions and in particular the reduction of negative emotions. In a first part, we present the means of measuring in real time (using a Measuring module) the users’ emotional and mental state during their interactions with a virtual environment. We performed four experimental studies with four different environments. We have shown that these measurements can be performed using different physiological sensors. We have also shown that it is possible to predict the tendency of excitement (a mental state) using an eye tracker. In a second part, we present the Neural Agent which modifies virtual environments to provoke a modification on the users’ emotional state in order to improve their cognitive state. We performed four experimental studies with four virtual environments, in which the Neural Agent intervenes in these environments to change the users’ emotional state. We have shown that the agent is able to intervene in several types of environments and able to modify the users’ emotions. In a third part, we present the Limbic Agent, which personalizes and improves the adaptations performed by the Neural Agent through the observation and the learning from the virtual environments changes’ impacts and the users’ emotional reactions. We have shown that this agent is able to analyze the Neural Agent’s interventions and able to modify them. We have also shown that the Limbic Agent is able to generate a new intervention rule and predict its impact on the user. The combination of the Measuring Module, the Neural Agent, and the Limbic Agent, allowed us to create an intelligent cognitive control system that we called the Digital Limbic System.

L’importance de nos capacités à nous orienter ou nous diriger est illustrée par nos capacités à retrouver notre chemin lorsque nous sommes perdus. Lorsqu’il doit s’orienter, l’être humain utilise spontanément des stratégies de navigation lui permettant de se rendre efficacement à destination. Chaque individu utilise instinctivement une stratégie soit allocentrique, soit egocentrique, selon la prédominance du volume de son hippocampe ou de celui de ses noyaux caudés. Bien que les stratégies allocentriques soient associées à un volume hippocampique plus important, les stratégies égocentriques tendent à être liées à son hypotrophie. Il existe des liens importants entre la stratégie adoptée et le volume hippocampique. Une activité et un volume important de matière grise dans l’hippocampe sont reliés à des stratégies de navigation allocentriques, alors qu’une faible activité et un faible volume sont reliés à l’utilisation de stratégies egocentriques (West et al., 2015; Iaria, Petrides, Dagher, Pike et Bohbot, 2003; Bohbot, Lerch, Thorndycraft, Iaria & Zijdenbos, 2007; Lerch et al., 2011; Etchamendy, Konishi, Pike, Marighetto, Bohbot, 2012; Konishi et al., 2013). Le but de ce mémoire est de démontrer que l’entrainement à des jeux vidéo de type « plateforme » permet de stimuler l’activité de l’hippocampe. À l’aide d’un électroencéphalogramme, cette étude cherche à observer l’activité fréquentielle des ondes thêta (4-8Hz), qui est reliée au fonctionnement hippocampique, mais également celle des ondes gamma (30-50Hz). Selon les hypothèses établies dans cette étude, il devrait y avoir une augmentation significative d’activité thêta (qui découle de l’activité hippocampique) sur les deux groupes expérimentaux, celle-ci devrait s’avérer significativement plus importante chez les participants utilisant instinctivement une stratégie allocentrique. Après avoir déterminé quelle stratégie est utilisée par chacun des 39 jeunes adultes neurotypiques qui ont été testés, leur activité cérébrale a été mesurée à l’aide d’un EEG pendant qu’ils jouaient à « Super Mario 64 » en périodes de quinze minutes entrecoupées de phases d’état de repos (Resting State). Nos résultats illustrent que les utilisateurs de stratégies allocentriques montrent une augmentation significative de l’activité thêta lors de niveaux actifs (incluant des objectifs faisant appel à la navigation) par rapport au niveau contrôle (mouvements répétitifs seulement, sans objectif de navigation clair) dans toutes les régions analysées (frontale, centrale, pariétale et occipitale). Les participants utilisant une stratégie egocentrique présentent également une augmentation significative de l’activité thêta dans les niveaux actifs par rapport au niveau contrôle, mais uniquement dans la région frontale. Ces résultats confirment que l’EEG peut être utilisé pour mettre en évidence l’activité cérébrale émise durant la navigation spatiale., The importance of our ability to orient ourselves or navigate in a given environment is pictured by our ability to find our way back when we are lost. As it must orientate itself in a given environment, the human being spontaneously uses navigational strategies to successfully arrive to its destination. Every individual instinctively uses a strategy that’s either allocentric or egocentric, depending upon which structure among the hippocampus or the caudate nucleus has the most predominant volume. As the allocentric strategies tend to be associated to a more important hippocampic volume, the egocentric strategies tend to be linked to a lesser one. There are important connections between the used strategy and one’s hippocampic volume. An important hippocampic grey matter volume and activity are associated to allocentric navigational strategies, as a lower volume and activity are associated to the use of egocentric strategies (West & al., 2015; Iaria, Petrides, Dagher, Pike & Bohbot, 2003; Bohbot, Lerch, Thorndycraft, Iaria & Zijdenbos, 2007; Lerch & al., 2011; Etchamendy, Konishi, Pike, Marighetto & Bohbot, 2012; Konishi & al., 2013). The goal of this master’s thesis is to demonstrate that platform video game training allows to stimulate hippocampic activity. Using an electroencephalogram, we have been monitoring the theta waveband frequential activity (4-8Hz), as we know it to be linked to hippocampic activity, but also, gamma wavebands (30-50Hz). As we estimate that there should be a significant augmentation of theta activity (which is influenced by hippocampic activity) on both experimental groups, it should be more important among the participants using instinctively an allocentric strategy. After determining which strategy is used by each of the 39 neurotypical young adults we have tested, we have measured their cerebral activity with an EEG while they were playing “Super Mario 64” in 15-minute periods separated by resting state phases. Our results show that the allocentric users have a theta activity augmentation when tested on active levels (which include navigation soliciting objectives) compared to the control level (repetitive movement, without definite navigation objectives) in all analyzed scalp region (frontal, central, parietal, occipital). Participants using an egocentric also show a significant augmentation of theta activity in the active levels compared to the passive ones but only in the frontal region. These results demonstrate that EEG can be used to highlight the different cerebral activities issued during spatial navigation and bring out the interest of this technique.

Cette thèse vise à détecter et améliorer l’état cognitif de l’apprenant. Cet état est défini par la capacité d’acquérir de nouvelles connaissances et de les stocker dans la mémoire. Nous nous sommes essentiellement intéressés à améliorer le raisonnement des apprenants, et ceci dans trois environnements : environnement purement cognitif Logique, jeu sérieux LewiSpace et jeu sérieux intelligent Inertia. La détection de cet état se fait essentiellement par des mesures physiologiques (en particulier les électroencéphalogrammes) afin d’avoir une idée sur les interactions des apprenants et l’évolution de leurs états mentaux. L’amélioration des performances des apprenants et de leur raisonnement est une clé pour la réussite de l’apprentissage. Dans une première partie, nous présentons l’implémentation de l’environnement cognitif logique. Nous décrivons des statistiques faites sur cet environnement. Nous avons collecté durant une étude expérimentale les données sur l’engagement, la charge cognitive et la distraction. Ces trois mesures se sont montrées efficaces pour la classification et la prédiction des performances des apprenants. Dans une deuxième partie, nous décrivons le jeu Lewispace pour l’apprentissage des diagrammes de Lewis. Nous avons mené une étude expérimentale et collecté les données des électroencéphalogrammes, des émotions et des traceurs de regard. Nous avons montré qu’il est possible de prédire le besoin d’aide dans cet environnement grâce à ces mesures physiologiques et des algorithmes d’apprentissage machine. Dans une troisième partie, nous clôturons la thèse en présentant des stratégies d’aide intégrées dans un jeu virtuel Inertia (jeu de physique). Cette dernière s’adapte selon deux mesures extraites des électroencéphalogrammes (l’engagement et la frustration). Nous avons montré que ce jeu permet d’augmenter le taux de réussite dans ses missions, la performance globale et par conséquent améliorer l’état cognitif de l’apprenant., This thesis aims at detecting and enhancing the cognitive state of a learner. This state is measured by the ability to acquire new knowledge and store it in memory. Focusing on three types of environments to enhance reasoning: environment Logic, serious game LewiSpace and intelligent serious game Inertia. Physiological measures (in particular the electroencephalograms) have been taken in order to measure learners’ engagement and mental states. Improving learners’ reasoning is key for successful learning process. In a first part, we present the implementation of logic environment. We present statistics on this environment, with data collected during an experimental study. Three types of data: engagement, workload and distraction, these measures were effective and can predict and classify learner’s performance. In a second part, we describe the LewiSpace game, aimed at teaching Lewis diagrams. We conducted an experimental study and collected data from electroencephalograms, emotions and eye-tracking software. Combined with machine learning algorithms, it is possible to anticipate a learner’s need for help using these data. In a third part, we finish by presenting some assistance strategies in a virtual reality game called Inertia (to teach Physics). The latter adapts according to two measures extracted from electroencephalograms (frustration and engagement). Based on our study, we were able to enhance the learner’s success rate on game missions, by improving its cognitive state.

L'interface cerveau-ordinateur (ICO) décode les signaux électriques du cerveau requise par l’électroencéphalographie et transforme ces signaux en commande pour contrôler un appareil ou un logiciel. Un nombre limité de tâches mentales ont été détectés et classifier par différents groupes de recherche. D’autres types de contrôle, par exemple l’exécution d'un mouvement du pied, réel ou imaginaire, peut modifier les ondes cérébrales du cortex moteur. Nous avons utilisé un ICO pour déterminer si nous pouvions faire une classification entre la navigation de type marche avant et arrière, en temps réel et en temps différé, en utilisant différentes méthodes. Dix personnes en bonne santé ont participé à l’expérience sur les ICO dans un tunnel virtuel. L’expérience fut a était divisé en deux séances (48 min chaque). Chaque séance comprenait 320 essais. On a demandé au sujets d’imaginer un déplacement avant ou arrière dans le tunnel virtuel de façon aléatoire d’après une commande écrite sur l'écran. Les essais ont été menés avec feedback. Trois électrodes ont été montées sur le scalp, vis-à-vis du cortex moteur. Durant la 1re séance, la classification des deux taches (navigation avant et arrière) a été réalisée par les méthodes de puissance de bande, de représentation temporel-fréquence, des modèles autorégressifs et des rapports d’asymétrie du rythme β avec classificateurs d’analyse discriminante linéaire et SVM. Les seuils ont été calculés en temps différé pour former des signaux de contrôle qui ont été utilisés en temps réel durant la 2e séance afin d’initier, par les ondes cérébrales de l'utilisateur, le déplacement du tunnel virtuel dans le sens demandé. Après 96 min d'entrainement, la méthode « online biofeedback » de la puissance de bande a atteint une précision de classification moyenne de 76 %, et la classification en temps différé avec les rapports d’asymétrie et puissance de bande, a atteint une précision de classification d’environ 80 %., A Brain-Computer Interface (BCI) decodes the brain signals representing a desire to do something, and transforms those signals into a control command. However, only a limited number of mental tasks have been previously detected and classified. Performing a real or imaginary navigation movement can similarly change the brainwaves over the motor cortex. We used an ERS-BCI to see if we can classify between movements in forward and backward direction offline and then online using different methods. Ten healthy people participated in BCI experiments comprised two-sessions (48 min each) in a virtual environment tunnel. Each session consisted of 320 trials where subjects were asked to imagine themselves moving in the tunnel in a forward or backward motion after a randomly presented (forward versus backward) command on the screen. Three EEG electrodes were mounted bilaterally on the scalp over the motor cortex. Trials were conducted with feedback. In session 1, Band Power method, Time-frequency representation, Autoregressive models and asymmetry ratio were used in the β rhythm range with a Linear-Discriminant-analysis classifier and a Support Vector Machine classifier to discriminate between the two mental tasks. Thresholds for both tasks were computed offline and then used to form control signals that were used online in session 2 to trigger the virtual tunnel to move in the direction requested by the user's brain signals. After 96 min of training, the online band-power biofeedback training achieved an average classification precision of 76 %, whereas the offline classification with asymmetrical ratio and band-power achieved an average classification precision of 80%.

Le module de l'apprenant est l'une des composantes les plus importantes d’un Système Tutoriel Intelligent (STI). L'extension du modèle de l'apprenant n'a pas cessé de progresser. Malgré la définition d’un profil cognitif et l’intégration d’un profil émotionnel, le module de l’apprenant demeure non exhaustif. Plusieurs senseurs physiologiques sont utilisés pour raffiner la reconnaissance des états cognitif et émotionnel de l’apprenant mais l’emploi simultané de tous ces senseurs l’encombre. De plus, ils ne sont pas toujours adaptés aux apprenants dont les capacités sont réduites. Par ailleurs, la plupart des stratégies pédagogiques exécutées par le module du tuteur ne sont pas conçues à la base d’une collecte dynamique de données en temps réel, cela diminue donc de leur efficacité. L’objectif de notre recherche est d’explorer l’activité électrique cérébrale et de l’utiliser comme un nouveau canal de communication entre le STI et l’apprenant. Pour ce faire nous proposons de concevoir, d’implémenter et d’évaluer le système multi agents NORA. Grâce aux agents de NORA, il est possible d’interpréter et d’influencer l’activité électrique cérébrale de l’apprenant pour un meilleur apprentissage. Ainsi, NORA enrichit le module apprenant d’un profile cérébral et le module tuteur de quelques nouvelles stratégies neuropédagogiques efficaces. L’intégration de NORA à un STI donne naissance à une nouvelle génération de systèmes tutoriels : les STI Cérébro-sensibles (ou STICS) destinés à aider un plus grand nombre d’apprenants à interagir avec l’ordinateur pour apprendre à gérer leurs émotions, maintenir la concentration et maximiser les conditions favorable à l’apprentissage., The learner module is the most important component within an Intelligent Tutoring System (ITS). The extension of the learner module is still in progress, despite the integration of the cognitive profile and the emotional profile, it is not yet exhaustive. To improve the prediction of the learner’s emotional and cognitive states, many physiological sensors have been used, but all of these sensors are cumbersome. In addition, they are not always adapted to the learners with reduced capacities. Beside, most of the pedagogical strategies that are executed by the tutor module are based on no-live collections of data. This fact reduces their efficiency. The objective of our research is to explore the electrical brain activity and use it as a communication channel between a learner and an ITS. To reach this aim, we suggest to conceive, to implement and to evaluate the multi-agent system NORA. Integrated to an ITS, this one became a Brain Sensitive Intelligent Tutoring System (BS-ITS). Agents of NORA interpret the learner’s brain electrical signal and react to it. The new BS-ITS is the extension of an ITS and enrich the learner module with the brain profile and the tutor module with a new Neuropedagogical Strategies. We aim to reach more categories of learners and help them to manage their stress, anxiety and maintain the concentration, the attention and the interest.

Les personnes atteintes de schizophrénie peuvent présenter un sommeil anormal même lorsqu’elles sont stables cliniquement sous traitements pharmacologiques. Les études présentées dans cette thèse ont pour but de mesurer le sommeil afin de mieux comprendre les dysfonctions des mécanismes cérébraux pouvant être impliqués dans la physiopathologie de la schizophrénie. Les trois études présentées dans cette thèse rapportent des résultats sur le sommeil dans la schizophrénie à trois niveaux d’analyse chez trois groupes différents de patients. Le premier niveau est subjectif et décrit le sommeil à l’aide d’un questionnaire administré chez des personnes atteintes de schizophrénie cliniquement stables sous traitements pharmacologiques. Le deuxième niveau est objectif et évalue le sommeil par une méta-analyse des études polysomnographiques chez des patients atteints de schizophrénie ne recevant pas de traitement pharmacologique. Le troisième niveau est micro-structurel et utilise l’analyse spectrale de l’électroencéphalogramme (EEG) afin de caractériser le sommeil paradoxal de patients en premier épisode aigu de schizophrénie avant le début du traitement pharmacologique. La première étude montre que, lorsqu’évaluées par un questionnaire de sommeil, les personnes atteintes de schizophrénie cliniquement stables sous traitements pharmacologiques rapportent prendre plus de temps à s’endormir, se coucher plus tôt et se lever plus tard, passer plus de temps au lit et faire plus de siestes comparativement aux participants sains. Aussi, tout comme les participants sains, les personnes atteintes de schizophrénie rapportent un nombre normal d’éveils nocturnes, se disent normalement satisfaites de leur sommeil et se sentent normalement reposées au réveil. La deuxième étude révèle qu’objectivement, lorsque les études polysomnographiques effectuées chez des patients non traités sont soumises à une méta-analyse, les personnes atteintes de schizophrénie montrent une augmentation du délai d’endormissement, une diminution du temps total en sommeil, une diminution de l’efficacité du sommeil et une augmentation de la durée des éveils nocturnes comparativement aux participants sains. Les patients en arrêt aigu de traitement ont des désordres plus sévères au niveau de ces variables que les patients jamais traités. Seulement les patients jamais traités ont une diminution du pourcentage de stade 2 comparativement aux participants sains. La méta-analyse ne révèle pas de différence significative entre les groupes en ce qui concerne le sommeil lent profond et le sommeil paradoxal. La troisième étude, portant sur l’analyse spectrale de l’EEG en sommeil paradoxal, montre une diminution de l’amplitude relative de la bande de fréquence alpha dans les régions frontales, centrales et temporales et montre une augmentation de l’amplitude relative de la bande de fréquence bêta2 dans la région occipitale chez les personnes en premier épisode de schizophrénie jamais traitées comparativement aux participants sains. L’activité alpha absolue est positivement corrélée aux symptômes négatifs dans les régions frontales, centrales et temporales et négativement corrélée aux symptômes positifs dans la région occipitale. L’activité beta2 absolue ne montre pas de corrélation significative avec les symptômes positifs et négatifs de la schizophrénie. Ces résultats sont discutés suivant la possibilité que des dysfonctions au niveau des mécanismes de la vigilance seraient impliquées dans la physiopathologie de la schizophrénie., Patients with schizophrenia may have an abnormal sleep even when clinically stable under pharmacological treatments. In the present thesis, sleep studies aim at measuring central nervous system dysfunctions that can be involved in the pathophysiology of schizophrenia. The present thesis includes three studies. These studies report results on sleep in patients with schizophrenia in a three levels analysis with three different groups of patients. The first level is subjective and describes sleep habits using a questionnaire administered to outpatients with schizophrenia clinically stable under pharmacological treatments. The second level of analysis is objective and evaluates sleep architecture using a meta-analysis of polysomnographic studies in untreated patients with schizophrenia. The third level is microstructural and uses electroencephalogram (EEG) spectral analysis to characterize REM sleep in never-treated patients with first-episode schizophrenia. The first study shows that, when evaluated using a sleep habits questionnaire, outpatients with schizophrenia clinically stable under pharmacological treatments report increased time to fall asleep, have earlier bedtime, later risetime, spend more time in bed and do more naps compared to healthy participants. Also, similarly to healthy participants, most patients with schizophrenia report normal wake time after sleep onset, are normally satisfied about their sleep and feel normally refreshed in the morning. The second study reveals that, objectively, when polysomnographic studies evaluating untreated patients with schizophrenia are submitted to a meta-analysis, patients with schizophrenia have increased sleep latency, reduced total sleep time, reduced sleep efficiency and increased wake time after sleep onset compared to healthy participants. Patients in acute drug withdrawal show more severe sleep disturbances in these variables compared to never treated patients. Only never treated patients show decreased stage 2 sleep duration compared to healthy participants. The meta-analysis does not reveal significant differences between groups in regards to slow wave sleep and paradoxical sleep variables. The third study about REM sleep EEG spectral analysis shows decreased relative alpha spectral amplitude in frontal, central and temporal cortical regions and increased relative beta2 spectral amplitude in the occipital region in never treated patients with first-episode schizophrenia compared to healthy participants. Absolute alpha spectral amplitude correlates positively with negative symptoms in the frontal, central and temporal regions and negatively with positive symptoms in the occipital region. No significant correlation has been observed between beta2 spectral amplitude and clinical symptoms of schizophrenia. These results are discussed following the possibility that dysfunctions in the mechanisms of vigilance would be involved in the pathophysiology of schizophrenia.

Environ 2-3% d’enfants avec convulsions fébriles (CF) développent une épilepsie, mais les outils cliniques existants ne permettent pas d’identifier les enfants susceptibles de développer une épilepsie post-convulsion fébrile. Des études ont mis en évidence des anomalies d’EEG quantifiée, et plus particulièrement en réponse à la stimulation lumineuse intermittente (SLI), chez des patients épileptiques. Aucune étude n’a analysé ces paramètres chez l’enfant avec CF et il importe de déterminer s’ils sont utiles pour évaluer le pronostic des CF. Les objectifs de ce programme de recherche étaient d’identifier, d’une part, des facteurs de risque cliniques qui déterminent le développement de l’épilepsie après des CF et, d’autre part, des marqueurs électrophysiologiques quantitatifs qui différencieraient les enfants avec CF des témoins et pourraient aider à évaluer leur pronostic. Afin de répondre à notre premier objectif, nous avons analysé les dossiers de 482 enfants avec CF, âgés de 3 mois à 6 ans. En utilisant des statistiques de survie, nous avons décrit les facteurs de risque pour développer une épilepsie partielle (antécédents prénataux, retard de développement, CF prolongées et focales) et généralisée (antécédents familiaux d’épilepsie, CF récurrentes et après l’âge de 4 ans). De plus, nous avons identifié trois phénotypes cliniques distincts ayant un pronostic différent : (i) CF simples avec des antécédents familiaux de CF et sans risque d’épilepsie ultérieure; (ii) CF récurrentes avec des antécédents familiaux d’épilepsie et un risque d’épilepsie généralisée; (iii) CF focales avec des antécédents familiaux d’épilepsie et un risque d’épilepsie partielle. Afin de répondre à notre deuxième objectif, nous avons d’abord analysé les potentiels visuels steady-state (PEVSS) évoqués par la SLI (5, 7,5, 10 et 12,5 Hz) en fonction de l’âge. Le tracé EEG de haute densité (128 canaux) a été enregistré chez 61 enfants âgés entre 6 mois et 16 ans et 8 adultes normaux. Nous rapportons un développement topographique différent de l’alignement de phase des composantes des PEVSS de basses (5-15 Hz) et de hautes (30-50 Hz) fréquences. Ainsi, l’alignement de phase des composantes de basses fréquences augmente en fonction de l’âge seulement au niveau des régions occipitale et frontale. Par contre, les composantes de hautes fréquences augmentent au niveau de toutes les régions cérébrales. Puis, en utilisant cette même méthodologie, nous avons investigué si les enfants avec CF présentent des anomalies des composantes gamma (50-100 Hz) des PEVSS auprès de 12 cas de CF, 5 frères et sœurs des enfants avec CF et 15 témoins entre 6 mois et 3 ans. Nous montrons une augmentation de la magnitude et de l’alignement de phase des composantes gamma des PEVSS chez les enfants avec CF comparés au groupe témoin et à la fratrie. Ces travaux ont permis d’identifier des phénotypes électro-cliniques d’intérêt qui différencient les enfants avec CF des enfants témoins et de leur fratrie. L’étape suivante sera de vérifier s’il y a une association entre les anomalies retrouvées, la présentation clinique et le pronostic des CF. Cela pourrait éventuellement aider à identifier les enfants à haut risque de développer une épilepsie et permettre l’institution d’un traitement neuroprotecteur précoce., The incidence of epilepsy in children with febrile seizures (FS) varies from 2 to 3%, but available clinical tools do not allow the identification of those children who will later develop epilepsy. Evidences have shown quantitative EEG abnormalities, more particularly revealed by intermittent photic stimulation (IPS), in patients with epilepsy. No studies have yet examined quantitative EEG parameters in children with FS. It is not known either whether they can be relevant to the evaluation of FSs prognosis. The objectives of this research program were to identify, first, clinical risk factors for developing epilepsy after FS and, second, to determine quantitative EEG markers that differentiate FS patients from normal controls and may aid to evaluate their prognosis. In order to meet our first objective, we reviewed the charts of 482 children with FS, aged 3 months to 6 years. Using survival statistics, we described risk factors for developing partial (prenatal antecedents, developmental delay, prolonged and focal FS) and generalized (family history of epilepsy, recurrent FS and FS after the age of 4 years) epilepsy after FS. In addition, we identified several distinct clinical phenotypes related to the prognosis of FS: (i) simple FS with a family history of FS, not related to a subsequent epilepsy, (ii) recurrent FS with a family history of epilepsy and an increased risk of generalised epilepsy and (iii) focal FS with a family history of epilepsy and an increased risk of partial epilepsy. In order to meet our second objective, we analyzed the steady-state visual potentials (SSVEP) evoked by IPS (5, 7.5, 10 and 12.5 Hz) as a function of age. The high density EEG (128 channels) was recorded in 61 normal children between 6 months and 16 years of age and 8 adults. We showed different topographical development of low (5-15 Hz) and high (30-50 Hz) frequency SSVEP components phase alignment. Thus, low frequency phase alignment increased with age only over the frontal and occipital regions, whereas high frequency phase alignment increased over all cerebral regions. Then, using the same methodology, we investigated whether children with FS show abnormalities of gamma frequency SSVEP components. We show an increase of both magnitude and phase alignment of the gamma frequency SSVEP components in 12 FS patients compared to 5 siblings of FS patients and 15 control children between 6 and 36 months of age. This study has identified distinct electro-clinical phenotypes that differentiate FS patients from the group of siblings and controls. Future studies should investigate whether detected abnormalities are associated with the clinical presentation of FS and their prognosis. This could help identify children with FSs who will later develop epilepsy and would eventually allow the institution of an early neuroprotective treatment.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.